Американские ученые доказали, что металл способен исцелять себя сам

Ученые из Техасского университета A&M и Национальной лаборатории Сандия в Нью-Мексико наблюдали растрескивание и сплавление металла. Это открытие может проложить путь к самовосстанавливающимся машинам, транспортным средствам и мостам.

Исследование, опубликованное в научном журнале Nature, показывает, что металл может самостоятельно восстанавливать микроскопические трещины, которые образуются, когда материал неоднократно подвергается нагрузкам.

Это достигается с помощью процесса, известного как холодная сварка, что означает, что не требуется ни тепла, ни электричества.

В докладе утверждается, что этот прорыв может иметь серьезные последствия для машиностроения, поскольку 90 процентов механических отказов являются результатом усталости металлических компонентов, которая возникает, когда повторяющиеся напряжения вызывают образование трещин.

Ученые предсказывают, что, воспользовавшись процессом самовосстановления и соответствующим образом настроив микроструктуру металлов, можно будет предотвратить усталостное растрескивание.

«Мы хотели бы понять, как микроструктура металла влияет на заживление», — сказал Майкл Дж. Демкович, профессор Техасского университета A&M и соавтор исследования.

«Обладая этими знаниями, мы можем представить себе возможность адаптации микроструктуры для использования преимуществ самовосстановления в технологических приложениях, например, для создания материалов, более устойчивых к усталостным повреждениям», — сказал он Дезину.

Самовосстановление возможно при холодной сварке.

Ученые уже некоторое время исследуют потенциал самовосстанавливающихся материалов.

Большинство прорывов произошло в разработке пластмасс – в таких проектах, как самовосстанавливающаяся «электронная кожа», разработанная учеными Университета Колорадо в Боулдере, – хотя недавнее исследование Массачусетского технологического института также показало, что это возможно и с бетоном.

До сих пор это свойство не наблюдалось у металлов без предварительного их нагрева.

Исследование показывает, что этого можно достичь при комнатной температуре в условиях вакуума с помощью процесса, известного как холодная сварка, который в основном используется в электронике и технологии космических кораблей.

Это происходит, когда два голых куска металла оказываются настолько близко, что их атомы притягиваются друг к другу, в результате чего их поверхности сплавляются. Это возможно только в том случае, если металлы абсолютно чистые.

Исследователи из Национальной лаборатории Сандии сделали это открытие во время испытаний, чтобы увидеть, как образуются трещины в кусках платины толщиной 40 нанометров.

Они наблюдали, как трещина снова срослась, не оставив следов, и в конечном итоге вновь открылась в другом месте.

«Это было совершенно потрясающе наблюдать из первых рук», — рассказал ученый из Сандии Брэд Бойс журналу Wiley Analytical Science.

«Мы подтвердили, что металлы обладают собственной природной способностью самовосстанавливаться, по крайней мере, в случае усталостных повреждений на наноуровне», — сказал Бойс, который также является соавтором исследования.

Десять лет, прежде чем исследования можно будет применить на практике

Результаты подтверждают тезис, впервые предложенный Демковичем еще в 2013 году, когда он работал профессором в Массачусетском технологическом институте, на основе результатов компьютерного моделирования, проведенного с тогдашним аспирантом Гоцяном Сюй.

В то время у пары не было возможности доказать свою теорию. Теперь исследования Сандиа показали, что самовосстановление возможно как в меди, так и в платине, и исследователи полагают, что оно также может происходить и в других металлах.

В отчете говорится, что это открытие «бросает вызов самым фундаментальным теориям о том, как инженеры проектируют и оценивают усталостную долговечность конструкционных материалов».

Однако Демкович утверждает, что пройдет не менее десяти лет, прежде чем эти открытия можно будет использовать на практике.

Следующими шагами будет изучение того, может ли металл самовосстанавливаться под воздействием воздуха, а не только в вакууме, и возможен ли этот процесс для металлических сплавов, таких как сталь.

«Самые важные краткосрочные последствия касаются фундаментальных теорий усталости металлов», — сказал он Дезину. «Они должны быть пересмотрены, чтобы принять во внимание заживление трещин».

Наш самый популярный информационный бюллетень, ранее известный как Dezeen Weekly. Рассылается каждый четверг и содержит подборку лучших комментариев читателей и самых обсуждаемых историй. Плюс периодические обновления об услугах Dezeen и последние новости.